DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5264
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40138410
تاريخ النشر: 2025-03-26
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: البصريات الكمومية والتفاعلات الذرية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث التقدم في الذكريات الكمومية للضوء، والتي تعتبر ضرورية لتطوير المكررات الكمومية والشبكات. يبرز المؤلفون قيود التخزين الكمومي الضوئي الحالي، الذي كان عادةً مقيدًا بعمر يصل إلى عشرات الميكروثواني، وهو غير كافٍ للتطبيقات العملية.
في دراستهم، يقدمون تحسينًا كبيرًا من خلال تحقيق تخزين كمومي للكيوبتات الضوئية لمدة 1.021 مللي ثانية باستخدام دليل موجي بصري مكتوب بالليزر في بلورة 151Eu³⁺:Y₂SiO₅. يتناول الباحثون مشكلة تدهور الدوران في أيونات 151Eu³⁺ من خلال تنفيذ تقنيات فك الارتباط الديناميكي التي تسهلها أدلة الموجات الكهربائية على الشريحة. تؤدي هذه الطريقة إلى كفاءة تخزين تبلغ 12.0 ± 0.5%، مما يمثل تقدمًا ملحوظًا في مجال أنظمة الذاكرة الكمومية المتكاملة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية الذاكرة الكمومية الضوئية في تطوير الشبكات الكمومية على نطاق واسع، لا سيما من خلال آليات مثل المكررات الكمومية والذكريات الكمومية القابلة للنقل. ظهرت البلورات المخدرة بأيونات الأرض النادرة (REICs) كمرشحين واعدين للذاكرة الكمومية المعتمدة على التجميع بسبب عمر التماسك الطويل وعرض النطاق الواسع. على الرغم من التقدم في العمليات المتكاملة داخل REICs، فإن أعمار التخزين للأجهزة الحالية كانت محدودة بعشرات الميكروثواني، ولم تتجاوز كفاءات التخزين تلك الخاصة بخطوط تأخير الألياف الأبسط، مما يقدم تحديات للتطبيقات العملية.
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون ذاكرة كمومية جديدة للضوء بعمر 1/e يبلغ 1.9 مللي ثانية، تم تحقيقها باستخدام دليل موجي بصري مكتوب بالليزر في بلورة 151Eu³⁺:Y₂SiO₅. من خلال استخدام بروتوكول صدى الفوتون بدون ضوضاء (NLPE)، يحققون كفاءة تخزين كمومية تبلغ 12.0 ± 0.5% عند مدة تخزين تبلغ 1.021 مللي ثانية، متفوقين بشكل كبير على كفاءة خطوط تأخير الألياف التي تعمل في نطاق 1550 نانومتر. تسهل تنفيذ دليل موجي كهربائي مسطح تطبيق تسلسل فك الارتباط الديناميكي (DD)، مما يقلل بشكل فعال من تدهور الدوران للأيونات داخل الدليل الموجي البصري.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون طرق التصنيع لدليل موجي بصري باستخدام نظام ميكروتشغيل بالليزر فمتوثانية. يعمل الليزر عند طول موجي 1030 نانومتر بمعدل تكرار يبلغ 201.9 كيلو هرتز ومدة نبضة تبلغ 210 فمتوثانية. يتم استقطاب الليزر على طول محور D2 من بلورة $^{151}\text{Eu}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ ويُسقط على طول محور D1، مع التركيز من خلال عدسة ×100 ذات فتحة عددية تبلغ 0.7. يتم إنشاء هيكل أسطواني به 20 شقًا، كل منها له نصف قطر 20 ميكرومتر وموجود 15 ميكرومتر تحت سطح البلورة، من خلال ضبط طاقة الليزر من 68 نانو جول في أعمق نقطة إلى 64 نانو جول في أقل نقطة، مما يضمن تشكيل شقوق متسقة. يدعم الهيكل المتماثل الناتج جميع الاستقطابات، محققًا كفاءة اقتران في الفضاء الحر تبلغ 50% لاستقطاب D1 و25% لاستقطاب D2.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع الدليل الموجي الكهربائي المسطح باستخدام تقنية الرفع بعد إنشاء الدليل الموجي البصري. يتضمن ذلك الطباعة الضوئية فوق البنفسجية لتشكيل نمط بسمك 1 ميكرومتر على مادة مقاومة للضوء، تليها تبخير شعاع الإلكترون لوضع طبقات من Ti وCu وAu. يُبلغ المؤلفون عن خسارة إدخال تبلغ 1.1 ديسيبل لاستقطاب D1 و4.1 ديسيبل لاستقطاب D2، مع كفاءة نقل مسار بصري تبلغ حوالي 65% بدون الدليل الموجي. يتم تحليل موثوقية نظام التخزين، حيث تُظهر موثوقية التخزين المقاسة الممثلة بالنقاط الزرقاء وموثوقية نظرية تشير إليها خط أخضر، مع أشرطة خطأ تعكس انحرافًا معياريًا واحدًا. يتم توفير مزيد من التفاصيل حول حسابات الموثوقية في المواد التكميلية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على اتجاهات البيانات المهمة، والتحليلات الإحصائية، وأي علاقات أو أنماط تم ملاحظتها. غالبًا ما تكون النتائج مصحوبة بأشكال أو جداول أو معادلات ذات صلة توضح النتائج بشكل كمي.
قد يناقش القسم أيضًا تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بالفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الدراسة. من الضروري ملاحظة أي قيود أو شذوذات تم مواجهتها أثناء البحث، حيث يمكن أن تؤثر هذه العوامل على تفسير النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير نظرة عامة واضحة وشاملة على الأدلة التجريبية التي تدعم استنتاجات الدراسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، نقدم ذاكرة كمومية متكاملة تستخدم بلورة $^{151}\text{Eu}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ المخدرة بنسبة 0.01%، محققة زمن تخزين يبلغ 1.021 مللي ثانية للكيوبتات الضوئية. تم بناء هذه الذاكرة باستخدام دليل موجي بصري مكتوب بالليزر مع دليل موجي كهربائي مسطح يسهل فك الارتباط الديناميكي (DD) لانتقالات الدوران. تُظهر الجهاز كفاءة تخزين تبلغ 12.0 ± 0.5%، متجاوزة كفاءة نقل خطوط تأخير الألياف بأكثر من ثلاثة أوامر من حيث الحجم، وقادرة على دعم الاتصالات ذهابًا وإيابًا بين عقد المكررات الكمومية المتباعدة بمقدار 100 كم. يسمح دمج الأدلة الموجية الضوئية والكهربائية بالتلاعب الدقيق في الانتقالات فائقة الدقة، مما يؤدي إلى مقاييس أداء تنافسية من حيث الموثوقية والكفاءة مقارنة بتنفيذات البلورات الضخمة.
تشير النتائج التجريبية إلى أن استخدام DD يعزز بشكل كبير عمر التخزين للذاكرة الكمومية، مما يمدده إلى 1.90 ± 0.04 مللي ثانية. ومع ذلك، فإن إدخال DD يزيد أيضًا من مستويات الضوضاء بسبب العيوب في نبضات RF $\pi$، والتي يمكن التخفيف منها من خلال تحسين تصميم الأقطاب الكهربائية. يتم تقييم أداء الجهاز مقارنةً بالكيوبتات ذات الفترات الزمنية، محققًا موثوقيات تتجاوز الحدود الكلاسيكية، مما يؤكد تشغيله ضمن النظام الكمومي. بشكل عام، تمهد هذه العمل الطريق للتطبيقات العملية للذاكرات الكمومية المتكاملة في الشبكات الكمومية على نطاق واسع، مع إمكانية تحسينات إضافية في زمن التخزين والكفاءة من خلال تصاميم ومواد متقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5264
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40138410
Publication Date: 2025-03-26
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Quantum optics and atomic interactions
Overview
This research paper section discusses advancements in quantum memories for light, which are crucial for the development of quantum repeaters and networks. The authors highlight the limitations of current photonic quantum storage, which has typically been restricted to lifetimes of tens of microseconds, insufficient for practical applications.
In their study, they present a significant improvement by achieving quantum storage of photonic qubits for 1.021 milliseconds using a laser-written optical waveguide in a 151Eu³⁺:Y₂SiO₅ crystal. The researchers address the issue of spin dephasing in 151Eu³⁺ ions through the implementation of dynamical decoupling techniques facilitated by on-chip electric waveguides. This approach results in a storage efficiency of 12.0 ± 0.5%, marking a notable advancement in the field of integrated quantum memory systems.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of photonic quantum memory in the development of large-scale quantum networks, particularly through mechanisms such as quantum repeaters and transportable quantum memories. Rare-earth-ion-doped crystals (REICs) have emerged as promising candidates for ensemble-based quantum memory due to their long coherence lifetimes and broad bandwidths. Despite advancements in integrated operations within REICs, the storage lifetimes of existing devices have been limited to tens of microseconds, and their storage efficiencies have not exceeded those of simpler fiber delay lines, presenting challenges for practical applications.
In this study, the authors present a novel quantum memory for light with a 1/e lifetime of 1.9 ms, achieved using an integrated laser-written optical waveguide in a 151Eu³⁺:Y₂SiO₅ crystal. By employing the noiseless photon echo (NLPE) protocol, they attain a quantum storage efficiency of 12.0 ± 0.5% at a storage duration of 1.021 ms, significantly outperforming the efficiency of fiber delay lines operating in the 1550 nm C-band. The implementation of a coplanar electric waveguide facilitates the application of a dynamical decoupling (DD) sequence, effectively reducing spin dephasing of the ions within the optical waveguide.
Methods
In this section, the authors describe the fabrication methods for an optical waveguide using a femtosecond laser micromachining system. The laser operates at a wavelength of 1030 nm with a repetition rate of 201.9 kHz and a pulse duration of 210 fs. The laser is polarized along the D2 axis of the $^{151}\text{Eu}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ crystal and projects along the D1 axis, focusing through a ×100 objective with a numerical aperture of 0.7. A cylindrical structure with 20 notches, each with a radius of 20 μm and positioned 15 μm below the crystal’s surface, is created by adjusting the laser power from 68 nJ at the deepest point to 64 nJ at the shallowest, ensuring consistent notch formation. The resulting symmetrical structure supports all polarizations, achieving a free-space coupling efficiency of 50% for D1 and 25% for D2 polarization.
Additionally, the coplanar electric waveguide is fabricated using a lift-off technique following the optical waveguide creation. This involves ultraviolet lithography to form a 1 μm thick pattern on photoresist, followed by electron beam evaporation to deposit layers of Ti, Cu, and Au. The authors report an insertion loss of 1.1 dB for D1 polarization and 4.1 dB for D2 polarization, with an optical path transmission efficiency of approximately 65% without the waveguide. The fidelity of the storage system is analyzed, showing measured storage fidelity represented by blue dots and theoretical fidelity indicated by a green line, with error bars reflecting one standard deviation. Further details on fidelity calculations are provided in the supplementary materials.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data trends, statistical analyses, and any observed correlations or patterns. The results are often accompanied by relevant figures, tables, or equations that illustrate the findings quantitatively.
The section may also discuss the implications of these results in relation to the hypotheses or research questions posed earlier in the study. It is crucial to note any limitations or anomalies encountered during the research, as these factors can influence the interpretation of the results. Overall, this section serves to provide a clear and comprehensive overview of the empirical evidence supporting the study’s conclusions.
Discussion
In this study, we present an integrated quantum memory utilizing a 0.01% doped $^{151}\text{Eu}^{3+}:\text{Y}_2\text{SiO}_5$ crystal, achieving a storage time of 1.021 ms for photonic qubits. This memory is constructed using a laser-written optical waveguide combined with a coplanar electric waveguide that facilitates dynamic decoupling (DD) of spin transitions. The device demonstrates a storage efficiency of 12.0 ± 0.5%, surpassing the transmission efficiency of fiber delay lines by over three orders of magnitude, and is capable of supporting round-trip communication between quantum repeater nodes separated by 100 km. The integration of optical and electric waveguides allows for precise manipulation of hyperfine transitions, yielding competitive performance metrics in terms of fidelity and efficiency compared to bulk crystal implementations.
The experimental results indicate that the use of DD significantly enhances the storage lifetime of the quantum memory, extending it to 1.90 ± 0.04 ms. However, the introduction of DD also increases noise levels due to imperfections in the RF $\pi$ pulses, which can be mitigated by optimizing the electrode design. The device’s performance is benchmarked against time-bin qubits, achieving fidelities exceeding classical limits, thus confirming its operation within the quantum regime. Overall, this work lays the groundwork for practical applications of integrated quantum memories in large-scale quantum networks, with potential for further improvements in storage time and efficiency through advanced designs and materials.